UINX环境
- 常见的操作系统比如Linux 和 MacOS都是基于UNIX的。它们都继承了UNIX的许多特性和设计理念。因此，它们的高级I/O技术确实是建立在UNIX基础之上的。Linux和macOS都提供了丰富的高级I/O功能和API，利用了UNIX系统调用和原则。这些功能包括非阻塞I/O、多路复用I/O（如Linux上的
select()、poll()、epoll()，以及macOS上的kqueue）、异步I/O（aio_*函数），以及其他更高级的I/O技术。这篇文章主要介绍在Linux环境下得高级IO。
这篇文章主要介绍五种IO模型，分别是：
- 阻塞式IO
- 非阻塞式IO
- 信号驱动式IO
- 多路转接IO
- 异步IO
IO
什么是IO?
IO，就是Input(输入)，Output(输出)的简称。 最简单的使用C语言调用printf函数时，就是向显示器输出数据。
调用scanf函数时，就是从标准输入键盘读入数据。这就是最基本的IO，一般称之为标准IO。还有一些文件IO。比如read，wirte。这些函数，从文件中输入或者向文件中输出时，这也是IO操作，一般称之为文件IO。在比如网络中socket套接字中的recv，send这些函数，从socket套接字中输入或者输出时，都是IO操作，一般称之为网络IO。
而应用层在调用printf，wirte，send这些函数时，本质是把数据从用户层拷贝到操作系统内核层中的缓冲区中。在数据被写入到内核缓冲区后，操作系统会负责将数据从内核缓冲区传输到实际的输出设备或目标，比如显示器、文件或网络。这个过程可以是立即发生，也可以是延迟到适当的时机再进行。
同理，调用scnaf，read，recv这些函数时，本质是从操作系统内核缓冲区中将数据拷贝到用户层中。这些函数本质也就是拷贝函数。
而在IO时，大部分的时间是在等待，只有有数据的时候，才会进行拷贝。举个简单的例子。比如调用scanf时，不从键盘输入时，就不会读取数据。进程就会一直阻塞等待，只有当用户从键盘中输入完数据按下回车时，才会读取。
根据上面的认识，可以建立一个共识，那就是IO = 等待 + 拷贝。而要进行拷贝，必须先要判断条件是否成立(即内核缓冲区是否有空间 或者有数据)。
在进程等待的这段时间内，如果进程一直判断内核的接收缓冲区是否有数据，有数据就进行读取。一直进行判断，肯定会带来CPU资源的消耗。大佬们就会想出解决办法，让进程不要一直进行判断，根据特定的规则，来判断内核缓冲区的状态。将其称之为高效IO。
所谓的高效IO，就是在单位时间内，拷贝的数据量越大，进行判断的次数越少。根据这个解决思路，有了各种IO模型。 就是上面提到的五种IO模型,他们并不都是高效的，只有部分是高效的，最值得学习的是IO多路转接和非阻塞IO。这篇文章也会重点介绍这两种IO模型。
先简单得认识一下这五种模型，在详细介绍其中高效得。
阻塞式IO
阻塞式IO（Blocking IO）是一种常见的IO模型，其特点是当应用程序执行IO操作时，如果数据没有准备好或无法立即进行IO操作，应用程序会进入阻塞状态，直到数据准备就绪或IO操作完成为止。所有的套接字默认都是阻塞方式。
阻塞式IO的工作流程通常如下：
- 应用程序发起IO操作（如读取文件、接收网络数据等）。
- 如果数据已经准备好，或者可以立即进行IO操作，IO操作会立即完成，应用程序继续执行后续代码。
- 如果数据尚未准备好，或者无法立即进行IO操作（如网络数据尚未到达、文件尚未准备好等），应用程序会进入阻塞状态，暂时挂起，直到数据准备就绪或IO操作完成。
- 一旦数据准备就绪或IO操作完成，应用程序会解除阻塞状态，继续执行后续代码。
阻塞式IO的优点是实现简单，易于理解和使用。但它也存在一些缺点，主要包括：
- 资源浪费：在数据未准备就绪时，应用程序会一直等待，占用CPU资源。这可能导致系统资源的浪费。
- 性能不佳：在大量IO操作时，阻塞式IO可能会导致程序的性能下降，特别是在需要等待大量IO操作完成时。
- 不适合高并发环境：在高并发环境下，阻塞式IO可能会导致系统资源耗尽，无法满足大量并发IO请求的需求。
阻塞式IO存在一些缺点，但在某些场景下仍然是一种合适的IO模型，特别是在简单的应用中或者IO负载较轻的情况下。
非阻塞IO
非阻塞IO（Non-blocking IO）是一种IO模型，其特点是在应用程序执行IO操作时，如果数据尚未准备好或无法立即进行IO操作，应用程序不会进入阻塞状态，而是立即返回一个错误码或指示数据未就绪的状态，让应用程序可以继续执行其他任务。
非阻塞式IO的工作流程通常如下：
- 应用程序发起非阻塞IO操作（如读取文件、接收网络数据等）。
- 如果数据已经准备好，或者可以立即进行IO操作，IO操作会立即完成，应用程序继续执行后续代码。
- 如果数据尚未准备好，或者无法立即进行IO操作（如网络数据尚未到达、文件尚未准备好等），IO操作会立即返回一个错误码或指示数据未就绪的状态，应用程序可以继续执行其他任务，而不是等待数据准备就绪。
- 应用程序可以周期性地轮询IO操作的状态，直到数据准备就绪或IO操作完成。
非阻塞IO的优点包括：
- 资源利用率高：应用程序不会一直等待数据准备就绪，而是可以继续执行其他任务，提高了系统的资源利用率。
- 适合高并发环境：在高并发环境下，非阻塞IO可以有效地处理大量IO请求，而不会导致系统资源的耗尽。
非阻塞IO往往需要程序员循环的方式反复尝试读写文件描述符, 这个过程称为轮询. 这对CPU来说是较大的浪费, 一 般只有特定场景下才使用。
信号驱动式IO
信号驱动IO（Signal-driven IO）是一种IO模型，其基本思想是应用程序在发起IO操作后，不需要等待数据准备就绪或IO操作完成，而是继续执行其他任务。当数据准备就绪或IO操作完成时，操作系统会发送一个信号给应用程序，通知其进行IO操作。
信号驱动IO的工作流程通常如下：
- 应用程序发起信号驱动IO操作（如读取文件、接收网络数据等）。
- 应用程序继续执行其他任务，不会被阻塞。
- 当数据准备就绪或IO操作完成时，操作系统会向应用程序发送一个信号（如SIGIO），通知其进行IO操作。
- 应用程序在接收到信号后，处理IO操作的结果，读取数据或者进行其他后续处理。
信号驱动IO的优点包括：
- 非阻塞：应用程序不会因为IO操作而被阻塞，可以继续执行其他任务，提高了系统的并发能力和响应速度。
- 异步：应用程序在发起IO操作后，不需要等待IO操作完成，而是在IO操作完成后收到信号再进行处理，实现了异步IO。
- 适用于高并发环境：在高并发环境下，信号驱动IO可以有效地处理大量IO请求，而不会导致系统资源的耗尽。
- 简化编程：相对于非阻塞IO，信号驱动IO模型能够降低编程复杂度，因为应用程序不需要周期性地轮询IO操作的状态，而是在IO操作完成后收到信号再进行处理。
然而，信号驱动IO也存在一些缺点，如：
- 信号处理的复杂性：应用程序需要编写信号处理函数来处理IO操作完成的信号，这可能会增加代码的复杂性和维护成本。
- 可移植性：不同操作系统对信号驱动IO的支持程度不同，可能存在一定的可移植性问题。
信号驱动IO在一些情况下可以是高效的，特别是在需要处理大量并发IO请求时。然而，它也有一些局限性，需要根据具体的应用场景和需求来选择是否使用。
多路转接IO
IO多路复用（IO Multiplexing）是一种高效的IO模型，它允许应用程序同时监视多个IO事件，当其中任何一个IO事件就绪时，应用程序可以进行相应的处理。这样可以减少了IO操作的轮询次数，提高了系统的效率和性能。
常见的IO多路复用技术包括select、poll、epoll等。
- select：select是最早的IO多路复用技术之一，在UNIX系统中广泛使用。它通过select函数来监视多个文件描述符的IO状态，并在其中任何一个IO事件就绪时返回。但select有一些限制，例如监视的文件描述符数量有限，时间复杂度较高等。
- poll：poll是select的改进版，也是一种IO多路复用技术。它通过poll函数来监视多个文件描述符的IO状态，并在其中任何一个IO事件就绪时返回。相比于select，poll没有文件描述符数量的限制，但效率仍然不高。
- epoll：epoll是Linux系统下的IO多路复用技术，是select和poll的替代品，也是目前性能最好的IO多路复用技术之一。它通过epoll_ctl和epoll_wait两个函数来监视文件描述符的IO状态，并在其中任何一个IO事件就绪时返回。epoll具有高效、可扩展等特点，适用于高并发的IO场景。
IO多路复用的优点包括：
- 高效：IO多路复用可以减少IO操作的轮询次数，提高系统的效率和性能。
- 可扩展：IO多路复用技术通常支持大量的文件描述符，能够满足高并发的IO请求。
- 简化编程：相比于其他IO模型，IO多路复用可以降低编程复杂度，提高代码的可读性和可维护性。
总之，IO多路复用是一种高效的IO模型，适用于需要处理大量并发IO请求的场景，如网络服务器等。在选择IO模型时，可以根据具体的应用需求和性能要求来选择合适的IO多路复用技术。
异步IO
异步IO是一种IO模型，其核心思想是应用程序在发起IO操作后不需要等待IO操作完成，而是可以继续执行其他任务。当IO操作完成后，操作系统会通知应用程序，并将IO操作的结果传递给应用程序进行处理。
异步IO的工作流程通常如下：
- 应用程序发起异步IO操作（如读取文件、接收网络数据等）。
- 应用程序继续执行其他任务，不会被阻塞。
- 当IO操作完成后，操作系统会向应用程序发送通知，告知IO操作的结果。
- 应用程序在接收到通知后，处理IO操作的结果，读取数据或者进行其他后续处理。
异步IO通常需要操作系统提供支持，以便操作系统能够在IO操作完成后通知应用程序。在不同的操作系统中，异步IO的实现方式可能会有所不同。
异步IO的优点包括：
- 非阻塞：应用程序不需要等待IO操作完成，而是可以继续执行其他任务，提高了系统的并发能力和响应速度。
- 高效：异步IO可以在IO操作完成后立即进行下一步处理，而不需要额外的等待时间，因此可以提高系统的效率和性能。
- 适用于高并发环境：在高并发环境下，异步IO可以有效地处理大量IO请求，而不会导致系统资源的耗尽。
- 简化编程：相比于其他IO模型，异步IO可以降低编程复杂度，因为应用程序不需要周期性地轮询IO操作的状态，而是在IO操作完成后收到通知再进行处理。
然而，异步IO也存在一些局限性，如：
- 实现复杂性：异步IO的实现可能较为复杂，需要操作系统提供支持，并且需要编写异步IO的处理逻辑，这可能会增加代码的复杂性和维护成本。
- 可移植性：不同操作系统对异步IO的支持程度不同，可能存在一定的可移植性问题。
综上所述，异步IO在一些情况下可以是高效的，特别是在需要处理大量并发IO请求时。然而，它也有一些局限性，需要根据具体的应用场景和需求来选择是否使用。
专业术语太多 看不懂？ 没关系，外卖总点过吧。
阻塞IO： 想象一下你在等待外卖送到家。你打电话给外卖店订购食物，然后你必须一直在家等待，直到外卖送到。在这个过程中，你不能做其他事情，而是一直在等待外卖到达。
非阻塞IO： 现在你改变了策略，不再一直等待外卖到达，而是每隔一段时间就去看一次外面是否有外卖员。如果外卖员还没到，你就继续等待，否则就接收外卖。这样，你可以在等待外卖的同时做其他事情，不必一直停留在家中。
多路复用IO： 这次你和朋友一起等待外卖，你们决定轮流去看外面是否有外卖员。每个人都负责一段时间内的外卖观察，如果有外卖员到达，就通知其他人，然后大家一起去接收外卖。这样，大家可以共同等待外卖，而不必每个人都去看。
信号驱动IO： 现在你和朋友们一起等待外卖，但是你们并不一直在关注外面是否有外卖员，而是等外卖员到达后，外卖员会按门铃或敲门，通知你们外卖已经送到。这时，你们就会立即接收外卖。这样，你们可以在等待外卖的过程中做其他事情，不必一直注意外面的情况。
异步IO： 最后，你和朋友们订购了外卖，但是你们并不需要自己去等待外卖的到达。相反，你们委托了一个专门的外卖服务，他们会负责外卖的送达，并在外卖送到后通知你们。这样，你们可以完全不用关注外卖的送达过程，而是在等待的同时做其他的事情，直到外卖送到。
高级IO的几个重要概念
同步 VS 异步
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同步IO：
- 同步IO是指程序在执行IO操作时会阻塞（或等待），直到IO操作完成为止。
- 在同步IO中，程序会按照顺序执行，每个IO操作都必须等待上一个IO操作完成后才能继续执行。
- 例如，当程序调用读取文件的操作时，在读取完成之前，程序会一直等待，直到文件中的数据读取完毕后才能继续执行后续代码。
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异步IO：
- 异步IO是指程序在执行IO操作时不会阻塞，而是可以同时执行其他任务。
- 在异步IO中，程序不必等待IO操作完成，而是可以继续执行其他任务，当IO操作完成时，会通过回调函数或其他方式来通知程序。
- 例如，当程序调用异步读取文件的操作时，程序可以继续执行后续代码，不必等待文件读取完成，而是在文件读取完成后通过回调函数来处理读取的数据。
再简单的理解就是同步与异步的本质区别就是有没有参与IO的过程。异步不参与IO的过程，只是发起IO。同步则需要参与IO的过程。结合外卖的例子很好理解。五种IO模型中，除了异步IO，其余都是同步的。
注意： 这里的同步要与多线程中的线程同步进行区分，他们二者毫无关系。 线程同步是指在多线程编程中，通过一些机制来确保多个线程之间的协调和合作，以达到正确、可靠地共享资源和避免竞争条件的目的。
阻塞VS非阻塞
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阻塞IO（Blocking IO） ：
- 阻塞IO是指程序在执行IO操作时会被挂起（或阻塞），直到IO操作完成为止。
- 当程序调用阻塞IO操作时，程序会一直等待，直到IO操作完成或超时才能继续执行后续代码。
- 例如，当程序调用读取文件的操作时，在读取完成之前，程序会一直等待，直到文件中的数据读取完毕后才能继续执行后续代码。
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非阻塞IO（Non-blocking IO） ：
- 非阻塞IO是指程序在执行IO操作时不会被挂起，而是可以立即返回，继续执行后续代码。
- 当程序调用非阻塞IO操作时，如果IO操作无法立即完成，操作会立即返回一个错误码或特定的状态，而不是等待IO操作完成。
- 例如，当程序调用非阻塞读取文件的操作时，如果文件中没有数据可读，读取操作会立即返回一个错误码或特定的状态，而不会一直等待数据可读。
这里需要注意一点，阻塞式IO和非阻塞式IO他们的IO效率是一样的，只是等待的方式不同而已。非阻塞再等待的时候可以做其他的事情。
关于非阻塞IO的详细介绍：非阻塞I/O - 掘金 (juejin.cn)